CC BY
37
УДК 631.46
ВЛИЯНИЕ МИКОРИЗООБРАЗУЮЩЕГО ГРИБА GLOMUS INTRARADICES НА ФИТОЭКСТРАКЦИЮ НИКЕЛЯ И МЕДИ И СОСТОЯНИЕ МИКРОБНЫХ ЦЕНОЗОВ В УСЛОВИЯХ МОДЕЛЬНОГО ОПЫТА
Б.А. Борисов, Л.А. Поздняков, О.В. Селицкая, Л.И. Трибис
Исследовали влияние инокуляции растений микоризообразующим грибом Glomus intraradices на процесс фитоэкстракции никеля и меди из дерново-подзолистой почвы, искусственно загрязненной этими металлами. Для разных видов растений обнаружено как увеличение, так и снижение содержания этих элементов в надземных частях растений под воздействием микоризации. Показано, что инокуляция растений ми-коризообразующим грибом посредством припосевного внесения в почву не приводит к дестабилизации ее микробного ценоза как в вариантах с внесением тяжелых металлов, так и без него.
Ключевые слова: почва, почвенные микроорганизмы, Glomus intraradices, инокуляция, микоризный симбиоз, фитоэкстракция, тяжелые металлы, никель, медь.
Введение
На загрязненных почвах для их последующей рекультивации особенно важно формирование устойчивых биоценозов. Большое значение при этом имеет состояние почвенной микробиоты. Известно положительное влияние инокуляции грибами рода Glomus на показатели продуктивности растений [8]. Для очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами, перспективны биоремедиаци-онные технологии (фитоэкстракция, фитореме-диация), предполагающие использование зеленых растений и ассоциированной с ними микробиоты [10, 13].
Для изучения влияния инокуляции растений микоризообразующим грибом Glomus intraradices на процесс фитоэкстракции никеля и меди был проведен вегетационный опыт с дерново-подзолистой почвой, искусственно загрязненной этими тяжелыми металлами (ТМ).
Объекты и методы исследования
В опыте использовали дерново-неглубокопод-золистую среднепахотную тяжелосуглинистую почву на покровном суглинке, свойства которой представлены в табл. 1.
Опыт проведен в четырех вариантах: контроль (исходная дерново-подзолистая почва); исходная почва с загрязнением никелем и медью; исходная почва с инокуляцией грибом G. intraradices; исходная почва с загрязнением никелем и медью и с инокуляцией грибом G. intraradices.
Для моделирования загрязнения тяжелыми металлами вносили соли никеля и меди из расчета десятикратного превышения предельно допустимых концентраций (ПДК) — 40 мг/кг Ni и 30 мг/кг Cu.
Во всех вариантах на зеленую массу выращивали следующие культуры: люцерна изменчивая (Medicago varia), люцерна хмелевидная (M. lupu-lina), подорожник большой (Plantago major), клевер ползучий (Trifolium repens), овсяница красная (Festuca rubra) сортов Сигма и Юлишка.
Инокуляцию проводили посредством припо-севного внесения в почву измельченных микори-зованных корней плектрантуса (Plectranthus aust-ralis) из коллекции Всероссийского НИИ сельскохозяйственной микробиологии в количестве 1 г на сосуд, исходя из принятой методики инокуляции [S].
Повторность опыта четырехкратная. Растения выращивали в сосудах емкостью 1 л, общее их количество в опыте — 96 шт.
Опыт длился 74 дня в вегетационном домике РГАУ—МСХА им. К.А. Тимирязева. По окончании учитывали зеленую массу и измеряли содержание ТМ в надземных частях растений и корнях.
Анализ почв произведен следующими методами: pH водной и солевой суспензий — потенцио-
Таблица 1
Свойства почвы, использованной для закладки вегетационного опыта
Показатель Значение
рНвод 6,6
рНсол 5,7
Р2О5, мг/кг 1S1 i 1S
К2О, мг/кг 214 i 21
Гумус, % 2,16 i G,43
Сумма поглощенных оснований, мг-экв/100 г 13,75 i 2,G6
Содержание физической глины, % 41,G
метрически, содержание подвижных форм фосфора и обменного калия — метод Кирсанова. Содержание гумуса определяли методом Тюрина в модификации В.Н. Симакова, сумму поглощенных оснований — методом Каппена—Гильковица, гранулометрический состав — методом Н.А. Качин-ского [2]. Содержание тяжелых металлов в растениях определяли на рентген-флюоресцентном анализаторе «Спектроскан».
Статистическую обработку проводили с помощью программ Microsoft Excel и СХSTAT.
Результаты и их обсуждение
Микроскопирование корней растений выявило наличие микоризных образований на корнях растений в вариантах с внесением культуры мико-ризообразующего гриба. В табл.2 представлены результаты определения содержания тяжелых металлов в растениях в вариантах с их внесением. Следует отметить, что при фитоэкстракции имеет значение накопление металлов надземными частями растений, поскольку подземные части с поглощенными металлами извлечь из почвы сложно.
Из данных табл. 2 видно, что при инокуляции грибом G. intraradices количество никеля и меди в надземной части клевера ползучего увеличивалось незначительно, но она способствовала сильному накоплению никеля его корнями. Инокуляция привела к значительному снижению содержания обоих элементов как в надземной части, так и в корнях подорожника большого. Люцерна изменчивая при инокуляции грибом накапливала больше и никеля и меди в надземной части, чем
без нее, но в корнях содержание этих металлов в результате инокуляции значительно снизилось. В надземной части люцерны хмелевидной при инокуляции заметно увеличилось накопление никеля и снизилось таковое меди; в корнях содержание обоих металлов значительно повысилось. Инокуляция овсяницы красной сорта Юлишка привела к значительному снижению содержания как никеля, так и меди и в надземной части и в корнях растений. Накопление никеля увеличилось в надземной части и корнях (в меньшей степени) овсяницы красной сорта Сигма, а меди в обеих частях растений этого сорта несколько снизилось.
В табл. 3 представлены результаты измерения респирометрических показателей (субстрат-инду-цированное и базальное дыхание) микроорганизмов почвы под растениями. Во всех вариантах выявлены статистически достоверные отличия от контроля.
В вариантах без добавления ТМ инокуляция растений клевера ползучего, подорожника большого и люцерны изменчивой грибом Glomus привела к снижению микробной биомассы под растениями. Инокуляция растений люцерны хмелевидной и обоих сортов овсяницы красной, напротив, способствовала ее увеличению.
В вариантах с добавлением ТМ в почву инокуляция только растений клевера ползучего привела к статистически значимому уменьшению микробной биомассы почвы. Также только в почве под клевером ползучим при инокуляции растений увеличился микробный метаболический коэффициент, хотя при этом он не достиг значения, свидетельствующего о неблагополучном состоянии
Таблица 2
Содержание тяжелых металлов в растениях (варианты с их добавлением), мг/кг сухого вещества
Культура Без добавления культуры гриба Glomus С добавлением культуры гриба Glomus Отношение содержания ТМ в инокулированных и не-инокулированных растениях
Ni Cu Ni Cu Ni Cu
Клевер ползучий надземная часть 13,61 18,49 15,69 19,53 1,15 1,06
корни 12,66 118,36 75,62 116,27 5,97 0,98
Подорожник большой надземная часть 92,02 239,68 44,3 37,81 0,48 0,16
корни 127,88 299,25 107,72 187,33 0,84 0,63
Люцерна изменчивая надземная часть 9,95 17,14 15,68 20,77 1,58 1,21
корни 58,64 84,31 34,34 46,18 0,59 0,55
Люцерна хмелевидная надземная часть 13,04 35,03 17,24 20,08 1,32 0,57
корни 22,06 45,77 113,19 159,23 5,13 3,48
Овсяница красная, сорт Юлишка надземная часть 41,33 39,03 25,45 18,68 0,62 0,48
корни 295,75 530,83 185,62 449,73 0,63 0,85
Овсяница красная, сорт Сигма надземная часть 15,64 27,3 21,07 22,39 1,35 0,82
корни 208,13 472,29 236,47 439,06 1,14 0,93
Таблица 3
Респирометрические показатели микроорганизмов почвы под растениями
Без добавления культуры гриба Glomus С добавлением культуры гриба Glomus
Вариант Культура микробная биомасса, мг/г почвы микробный метаболический коэффициент микробная биомасса, мг/г почвы микробный метаболический коэффициент
и клевер ползучий 1517 + 387 0,007 564 ± 121 0,023
§ 0 К § подорожник большой 3629 ± 479 0,000 236 + 13 0,015
2 £ M 5! люцерна изменчивая 2737 ± 666 0,002 329 + 64 0,012
и ^ со 3 « M и s люцерна хмелевидная 4227 + 266 0,004 6598 + 592 0,001
овсяница красная, сорт Юлишка 2819 ± 201 0,005 4898 ± 341 0,001
т овсяница красная, сорт Сигма 3392 + 239 0,008 7005 + 783 0,001
и клевер ползучий 5020 ± 441 0,003 2713 ± 332 0,004
« о S ч иа подорожник большой 2026 + 485 0,008 2161 + 269 0,003
5 « g s люцерна изменчивая 1326 + 466 0,008 7736 + 604 0,001
S й ю д о ч ц « и 1 люцерна хмелевидная 1072 + 160 0,020 1767 ± 44 0,004
овсяница красная, сорт Юлишка 1707 + 263 0,010 3659 + 539 0,001
н овсяница красная, сорт Сигма 2759 + 224 0,004 2424 + 244 0,003
микробного ценоза почвы. В почве под остальными растениями под влиянием инокуляции культурой микоризообразующего гриба количество микробной биомассы или не претерпело статистически достоверных изменений (как в случае с подорожником большим и овсяницей красной сорта Сигма), или значительно увеличилось (люцерна изменчивая, люцерна хмелевидная и овсяница красная сорта Юлишка).
Не обнаружено связи между микробной биомассой почвы и количеством ТМ, накопленным в растениях. Микробный метаболический коэффициент, считающийся интегральным показателем при оценке состояния почвенных микробных ценозов [1], во всех вариантах опыта имел значение <0,1, что свидетельствовало об их высокой стабильности. Из этого можно сделать вывод, что внесение в дерново-подзолистую почву солей никеля и меди в количестве, десятикратно превышающем ПДК этих металлов, не привело к дестабилизации микробного ценоза этой почвы. Из полученных результатов также следует, что инокуляция растений микоризообразующим грибом G. intra-radices не вызывало дестабилизирующих изменений в микробном ценозе исследуемой почвы.
Таким образом, в условиях вегетационного опыта выявлены различия во влиянии инокуляции грибом G. intraradices на микробную биомассу дерново-подзолистой почвы под различными растениями. Среди культур выделялся клевер ползучий, инокуляция которого привела к снижению микробной биомассы в почве под растениями. Это снижение прослеживалось как в вариантах с внесением ТМ в почву, так и без их внесения.
Также заметное снижение микробной биомассы в почве почти на порядок без добавления ТМ наблюдалось под подорожником большим при его инокуляции, однако в вариантах с их добавлением отмечены противоположные результаты — микробная биомасса увеличивалась. Эти изменения в микробной биомассе могут быть связаны с пульсационным характером колебаний численности микроорганизмов под воздействием различных факторов, таких как фотосинтетическая активность растений [4, 7]. При этом, как в вариантах с добавлением ТМ, так и без него, микробный метаболический коэффициент при инокуляции не превысил 0,1, что свидетельствует о высокой стабильности микробного ценоза исследуемой почвы. Кроме этого, разное воздействие инокуляции на количество микробной биомассы при внесении в почву тяжелых металлов может объясняться изменениями в структуре микробного сообщества под их влиянием. При добавлении в почву ТМ подавление развития одних видов микроорганизмов приводит к значительному росту популяций других, более устойчивых к воздействию металлов, например, нативного грибного компонента почвенной микробиоты. Известно, что почвенные грибы устойчивы к большим количествам ТМ, попадающим в почву [5, 6]. Внесение культуры микоризообразующего гриба G. Штт-dices также может являться стрессором для сформировавшегося на исследуемой почве микробного сообщества, приводящим к изменению его состава. В свою очередь почвенные грибы при образовании симбиотических связей с растениями синтезируют фитогормоны [12]. Исследователи отмечают
различное влияние фитогормонов на накопление ТМ в растениях [9]. Кроме почвенных микроми-цетов на растительный компонент биоценоза посредством регуляторов роста влияют и некоторые бактерии, обитающие в ризосфере растений [3, 11].
Заключение
Обобщая результаты проведенных исследований, необходимо отметить разный характер влияния инокуляции микоризообразующим грибом Glomus intraradices на поглощение ТМ растениями и на микробную биомассу почвы под ними. На основании данных вегетационного опыта для усиления эффективности фитоэкстракции как никеля, так и меди, можно рекомендовать исполь-
зование инокуляции микоризообразующим грибом G. intraradices растений клевера ползучего и люцерны изменчивой, а для фитоэкстракции никеля (но не меди) она рекомендуется для растений люцерны хмелевидной и овсяницы красной сорта Сигма.
Выявлено, что микробный ценоз исследуемой почвы устойчив к воздействию солей никеля и меди в количестве, десятикратно превышающем ПДК этих металлов в почве; внесение указанных тяжелых металлов не привело к дестабилизации микробного ценоза в поставленном опыте. Инокуляция растений микоризообразующим грибом G. intraradices также не вызвала дестабилизирующих изменений в микробном ценозе дерново-подзолистой почвы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ананьева Н.Д., Благодатская Е.В., Демкина Т.С. Оценка устойчивости микробных комплексов к природным и антропогенным воздействиям // Почвоведение. 2002. № 5.
2. Ганжара Н.Ф., Борисов Б.А., Байбеков Р.Ф. Практикум по почвоведению. М., 2012.
3. Ермолаева Н.И., Иванова Н.И., Скворцова Н.П. и др. Применение биометода в открытом и защищенном грунте: Использование ризосферных бактерий рода Pseudomonas для предпосевной обработки огурцов, капусты и картофеля // Защита растений. 1992. № 8.
4. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. М., 1987.
5. Лугаускас А.Ю., Шляужене Д.Ю., Репечке-не Ю.П. Действие антропогенных факторов на грибные сообщества почв // Микробные сообщества и их функционирование в почве. Киев, 1981.
6. Марфенина О.Е. Реакция комплекса микроскопических грибов на загрязнение почв тяжелыми металлами // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1985. № 2.
7. Паников Н.С., Горбенко А.Ю., Звягинцев Д.Г. Пульсационный характер роста микроорганизмов в почве и его природа // Там же. 1988. № 1.
8. Юрков А.П., Якоби Л.М., Степанова Г.В. Эффективность инокуляции грибом Glomus intraradices и внутрипопуляционная изменчивость растений люцерны хмелевидной по показателям продуктивности и ми-коризообразования // Сельскохоз. биол. 2007. № 5.
9. Яхин О.И., Лубянов А.А., Серёгин И.В., Яхин И.А. Влияние регуляторов роста на накопление тяжелых металлов и проявление их токсического действия у высших растений // Агрохимия. 2014. № 12.
10. Brooks R.R., Chambers M.F., Nicks L.J., Robinson B.H. Phytomining // Trends in Plant Sci. 1998. Vol. 3, iss. 9. P. 359—363.
11. Garbaye J. Helper bacteria: A new dimension to the mycorrhizal symbiosis // New Phytol. 1994. Vol. 128. P. 197—210.
12. Mycorrhizal symbiosis / S.E. Smith, D.J. Read (eds.). Cambridge, 2008.
13. Robinson B.H. et al. Phytoremediation: Using plants as biopumps to improve degraded environments // Aust. J. Soil. Res. 2003. Vol.41.
Поступила в редакцию 12.10.2015
INFLUENCE OF ARBUSCULAR MYCORRHIZAL
FUNGI GLOMUS INTRARADICES ON PHYTOEXTRACTION OF NICKEL
AND COPPER AND CONDITION OF MICROBIAL COMMUNITIES
B.A. Borisov, L.A. Pozdnyakov, O.V. Selitskaya, L.I. Tribis
In this paper the different influence of mycorrhization on phytomining is shown. We have observed positive and negative influence of inoculation of plants by Glomus intraradices on a quantity of nickel and copper in overground parts of Medicago varia, M. lupulina, Plan-tago major, Trifolium repens, Festuca rubra variety Sigma, F. rubra variety Yulishka. These plants were grown in soils with and without addition of nickel and copper. There is being suggested the estimation of microbial communities in these soils. There is shown that inoculation of plants by G. intraradices do not cause destabilization of microbial communities, regardless of the addition of high quantities of nickel and copper to the soil.
Key words: soil, soil microorganisms, Glomus intraradices, phytomining, phytoextrac-tion, heavy metals, nickel, copper, inoculation, mycorrhizal symbiosis.
Сведения об авторах
Борисов Борис Анорьевич, докт. биол. наук, профессор каф. почвоведения, геологии и ландшафтоведения РГАУ — МСХА им. К.А. Тимирязева. E-mail: [email protected]. Поздняков Лев Анатольевич, канд. биол. наук, инженер каф. биологии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. E-mail: [email protected]. Селицкая Ольга Валентиновна, канд. биол. наук, доцент, зав. каф. микробиологии и иммунологии РГАУ — МСХА им. К.А. Тимирязева. E-mail: [email protected]. Трибис Лев Игоревич, аспирант каф. почвоведения, геологии и ландшафтоведения РГАУ — МСХА им. К.А. Тимирязева. E-mail: [email protected].
